氢气环境下2205双相不锈钢的氢致开裂研究_陈兴阳.pdf

氢气环境下 双相不锈钢的氢致开裂研究陈兴阳，马琳琳，赵峰霆，王锋淮，谢浩平（浙江省特种设备科学研究院，浙江 杭州；浙江省特种设备安全检测技术研究重点实验室，浙江 杭州）摘 要 为了研究氢气环境下双相不锈钢疲劳裂纹萌生和扩展的影响规律，建立氢气环境下双相不锈钢疲劳应变组织演化氢致开裂之间的关联机制，在 氢气和 氮气 种环境中对 双相不锈钢试样进行了慢应变速率拉伸和疲劳裂纹扩展速率试验。结果表明：在氢气环境下，双相不锈钢在慢应变速率拉伸过程中的氢脆敏感性不高，而在疲劳过程中氢脆现象显著，氢气环境下 双相不锈钢的疲劳裂纹扩展速率比氮气环境中的快 倍；氢气能够促进 双向不锈钢疲劳裂纹尖端周围组织的局部塑性变形，并进一步导致氢致开裂。在氢气环境下 双相不锈钢疲劳变形过程中，不同的相结构其氢致开裂机理也不同，铁素体相容易形成河流状花样断口形貌（解理断口），而奥氏体相断口形貌多呈现平行的滑移带特征，奥氏体相在铁素体相的解理开裂过程中对裂纹具有阻碍作用。关键词 双相不锈钢；氢致开裂；疲劳裂纹；滑移带中图分类号 文献标识码 ：文章编号（），（，；，）：，（），：；收稿日期 通信作者 陈兴阳（），博士，高级工程师，主要从事承压设备的检验检测与安全评估研究，电话：，：前 言双相不锈钢具有出色的抗腐蚀性能和较高的机械强度，该材料通常用于能源、船舶、石化以及石油和天然气等要求苛刻的行业中，。大多数铁素体和奥氏体双相钢具有良好的电化学性能，这主要是由于在两相组织中，铁素体和奥氏体之间存在协同作用。但是，双相不锈钢在有氢存在的情况下，例如在阴极保护下或氢 气 环 境 中，会 引 发 氢 脆（）或 氢 致 开 裂（），。等研究了双相不锈钢氢致裂纹萌生和扩展的机制，结果表明氢致开裂过程中裂纹扩展的路径不连续，而奥氏体能够阻碍疲劳裂纹的扩展，由于氢能够促进奥氏体局部塑性，即氢能够促进奥氏体的平面滑移，其断裂形貌特征在奥氏体中表现为脆性 小平面或类似滑移台阶的条纹，而在铁素体中则表现为河流状的凹凸脆性断口。等利用电化学充氢和氢微观印刷等方法研究了 双相不锈钢，发现慢应变速率拉伸断裂试样中，表面裂纹和内部裂纹主要出现在 双相不锈钢的铁素体相中。预充氢试样的断口在铁素体相中为小平面解理断裂，而在奥氏体相中断裂模式由与塑性变形相关的解理断裂占主导。等研究了双相不锈钢在低周疲劳和高周疲劳过程中的损伤演变，并采用、和 分析了微裂纹的萌生和扩展，研究发现双相不锈钢在低周疲劳期间，微裂纹容易在铁素体相，或者在晶粒内具有最高 因子的滑移面，或者aa晶界处萌生，随后微裂纹在具有最高 因子的铁素体或奥氏体晶粒中发生进一步扩展；而在高周疲劳循环中，双相不锈钢疲劳裂纹通常通过奥氏体中滑移带的形成开始，随后在 边界或 边界与奥氏体滑移带的交叉点开始萌生。另外发现，双相不锈钢相界能够有效阻碍疲劳裂纹的扩展。由此可见，双相不锈钢中的不同相结构在临氢环境中的氢致开裂有着完全不同的作用机制，虽然人们利用充氢方法对双相不锈钢氢致开裂进行了研究，然而目前关于在氢气环境中裂纹尖端不同组织对双相不锈钢氢致裂纹萌生和扩展的影响研究甚少。为此，本工作研究了在 氢气和氮气环境下 双相不锈钢不同相结构对氢致开裂的作用与影响。试 验试验采用 双相不锈钢钢板，其化学成分（质量分数，）如下：，余量。双相不锈钢管钢板经过加工制成金相试样、圆棒拉伸和紧凑拉伸（）试样，其尺寸如图 所示。金相试样经过砂纸研磨和金刚石抛光后腐蚀，腐蚀剂采用 盐酸、偏重亚硫酸钾和 的混合溶液。图 为 双相不锈钢金相显微组织图，由其金相显微组织图可以看出，双相不锈钢组织为铁素体和奥氏体两相，其中亮色区域组织为奥氏体（），深色区域组织为铁素体（），奥氏体相与铁素体相组织比例约为 ，奥氏体主要呈条状、块状分布。慢应变速率拉伸和疲劳裂纹扩展速率试验采用 万能疲劳试验机，试样机上装配有高压环境箱。慢应变速率拉伸试验在室温 氮气或 图 圆棒拉伸试样和 试样尺寸 图 双相不锈钢金相显微组织 氢气中以 的应变速率进行试验；疲劳裂纹扩展速率在室温 氮气或 氢气中采用恒力法进行试验，其中应力幅 ，应力比 ，试验频率 。试验采用的氮气和氢气纯度为。双相不锈钢的金相组织和圆棒拉伸试样及 试样的断口形貌分别采用 型光学显微镜和 型扫描电子显微镜（）进行观察。结果与讨论图 为 和 环境中 双相不锈钢慢应变速率拉伸应力和延伸率曲线。图 和 种环境中 双相不锈钢慢应变速率拉伸应力延伸率曲线 由图 可以看出，与 中试验的试样相比，中慢应变速率拉伸试样的延伸率明显降低（中延伸率为，中延伸率为），其中断面收缩率氮气中为，中为。两者的屈服强度和抗拉强度几乎相同，但是 中试样断裂时应力较高，且 中断面收缩率更低。在拉伸过程中，在相同应力水平下，测试试样发生断裂，而 中试样仍继续发生变形颈缩，说明氢的存在导致试样更早断裂，这是由于在变形过程中氢能够促进裂纹在变形条带处萌生，降低裂纹形成和扩展的阻力。图 为 和 种环境中 双相不锈钢慢应变速率拉伸试样的断口形貌。如图 所示，在 中测试的慢应变速率拉伸试样的边缘、半径和中心瞬断区断口形貌中均为含有大量微米大小的韧窝形貌，而 中拉伸试样的边缘和 半径处断口形貌中伴有层状撕裂的形貌特征，其中边缘处的断口形貌较为平整，这种脆性断裂特征为氢脆断口形貌的特点之一，在中心瞬断区域则为韧窝形貌。图 和 种环境中 双相不锈钢慢应变速率拉伸断口形貌 图 为在 和 环境中 双相不锈钢 试样的疲劳裂纹扩展速率（）与应力 强度因子范围（）的关系曲线。与 中测试的 双相不锈钢疲劳裂纹扩展速率相比，在 中的扩展速率大大提高了（大约高出 倍）。图 和 环境中 双相不锈钢疲劳裂纹扩展速率曲线 图 为在 和 种环境中 双相不锈钢 试样不同放大倍数的 断口形貌。从图，中可以观察到，在 中测试的 试样断口形貌中，存在垂直于传播方向的疲劳条纹。疲劳条纹是 试样在疲劳扩展过程中裂纹尖端发生局部塑形变形并向前扩展时形成的，疲劳条纹的宽度一般可代表疲劳循环疲劳裂纹扩展的距离。而在 中测试的 试样断口形貌中，如图，所示，其疲劳条纹较宽且不明显，这也说明了 中由于氢的存在大大提高了试样的疲劳裂纹扩展速率，且在其裂纹尖端的局部塑形变形区域更加局域化。在 中测试的 试样的断口形貌还发现大量解理断口和滑移带，解理断口面主要呈河流状花样，而滑移带主要呈条状分布，可以看出 双相不锈钢 试样在 中的断口形貌呈现出明显的组织相关性。图 和 环境中 双相不锈钢 试样断口形貌 图 为在 和 种环境中 双相不锈钢 试样表面裂纹尖端附近形貌。在 中测试的试样的裂纹表面形貌出现严重变形。与在 中测试的试样相比，在 中测试的试样中裂纹尖端附 近的滑移带更加平行，表面裂纹更加清晰细致。由此可以看出在 中测试时，疲劳循环加载引起的裂纹尖端附近的变形更加局域化。图 和 环境中 双相不锈钢 试样表面裂纹尖端附近形貌 双相不锈钢为奥氏体和铁素体两相结构，由于奥氏体为面心立方结构，其滑移面为，滑移方向为，铁素体为体心立方结构，其滑移面主要为，滑移方向为，因此 双相不锈钢在疲劳变形过程中，当裂纹尖端遇到不同相时，裂纹尖端发生的塑性变形也不同。当疲劳裂纹遇到铁素体相时，裂纹尖端铁素体相发生变形、滑移，由于氢在铁素体相中扩散系数高溶解度低，裂纹尖端的氢快速进入铁素体相内，形成氢致开裂裂纹，裂纹主要在平面上传播，进一步形成河流状花 样 断 口 形 貌（解 理 断口），如图 所示为 环境下 双相不锈钢 试样不同组织的断口形貌。当疲劳裂纹遇到奥氏体相时，由于奥氏体相与铁素体相滑移系不同，裂纹尖端的奥氏体相产生变形、滑移，并进一步形成撕裂穿晶裂纹，断口形貌多呈现平行的滑移带特征。奥氏体相在铁素体相的解理开裂过程中对其有阻碍作用，即奥氏体成为裂纹扩展的障碍。图 氢气环境下 双相不锈钢 试样不同相的断口形貌 结 论（）氢气环境下，双相不锈钢在慢应变速率拉伸过程中的氢脆敏感性不高，而在疲劳过程中氢脆现象显著，氢气促进了疲劳裂纹尖端周围的局部塑性变形，并进一步导致氢致开裂，由于氢的存在 双 相不锈钢的疲劳裂纹扩展速率增加了约 倍。（）氢气环境下 双相不锈钢在疲劳变形过程中，不同相结构的氢致开裂机理不同。铁素体相容易形成河流状花样断口形貌（解理断口），而奥氏体相断口形貌多呈现平行的滑移带特征，奥氏体相在铁素体相的解理开裂过程中对裂纹具有阻碍作用。参考文献 郑传波，唐祝君，申小兰 微观组织对 双相不锈钢氢脆敏感性的影响 金属热处理，（）：，（）：何建宏，唐祥云，陈南平 铁素体奥氏体双相不锈钢的氢致开裂研究 金属学报，（）：，（）：郑传波，唐祝君，申小兰 对 双相不锈钢氢脆敏感性的影响 腐蚀科学与防护技术，（）：，（）：向井喜彦，白士杰 双相不锈钢焊接接合部位氢脆型应力腐蚀裂纹机制的研究 长城技术，（）：，（）：，（）：，（）：，：，：，（）：，（）：，：，（）：编校：郑 霞（上接第 页）高正源，胡琳盛，刘 浪，等 从工艺参数角度探讨 系镁合金表面磁控溅射单层铝及氧化铝膜的耐腐蚀和耐磨损性能 材料导报，（）：，：，（）：，（）：，（）：，：编校：郑 霞